Giao thức truyền thông (Protocol) là tập hợp các quy ước chính thức quy định thủ tục điều khiển, định dạng và định thời liên quan của việc trao đổi thông điệp giữa hai đối tác truyền thông.
Với một kiểu kết nối vật lý, với các giao thức khác nhau sẽ hình thành nên các kiểu mạng khác nhau. Một số giao thức như TCP/IP; MODBUS; PROFIBUS, IEC870-5-101, IEC870-5-103, IEC870-5-104; ICCP, ELCOM90, ...
Hệ thống SCADA là một hệ thống phức tạp và đắt tiền nên các thành phần của SCADA được cung cấp bởi nhiều nhà sản xuất khác nhau. Do đó có yêu cầu cao về chuẩn hóa thiết bị, đặc biệt là về các giao diện và giao thức.
Do được trải ra trên không gian địa lý rộng lớn nên cần nhiều dịch vụ viễn thông để kết nối các phân hệ của hệ thống SCADA.
H nh 1 7: C u tr c hệ thống SCADA thể hiện b ng gi o thức kết nối
Kết nối dữ liệu trong hệ thống SCADA hiện nay thường tuân thủ một số giao thức như sau:
- Giữa RTU với dây chuyền công nghệ sử dụng giao thức IEC870-5- 103 hoặc giao thức của nhà sản xuất.
- Giữa SAS/DCS với IED sử dụng giao thức MODBUS trên RS485/RS232,....
- Giữa GateWay của SAS/DCS với CC sử dụng giao thức IEC870-5- 101 trên RS232/Modem hoặc giao thức IEC870-5-101/104 qua mạng TCP/IP (giao diện Ethernet).
- Giữa CC với CC sử dụng giao thức ICCP hoặc ELCOM90
- Giữa CC với hệ thống quản lý thị trường sử dụng giao thức ICCP hoặc ELCOM90. [1], [3], [7].
1.2.4.1. Giao thức truyền tin Gi o thức truyền tin l gì?
Để có thể thực hiện truyền dữ liệu qua kênh viễn thông một cách an toàn và chính xác đòi hỏi một quy tắc nhất định, quy tắc này có khả năng đối phó với các tình huống không bình thường của kênh như lỗi, trễ, gián đoạn kênh,.v.v...Quy tắc này được gọi là giao thức truyền tin.
Giao thức truyền tin đóng vai trò trung gian và là giao diện logic giữa 2 việc: “truyền tin và xử lý thông tin”. Có thể hiểu giao thức truyền tin như là một loại "ngữ pháp" cho phép tập hợp và biên tập các dòng các bit thu được trên kênh thành dạng có thể hiểu được. Giao thức truyền tin bao hàm cả việc quản lý "giao diện logic" nói trên.
Các chức năng c a giao thức truyền tin
Chức năng chuyển dữ liệu: Mục đích cơ bản của giao thức truyền tin là truyền số liệu từ 1 phía sang phía bên kia của liên kết.
Chức năng cấu trúc lại dữ liệu: Đối với truyền dị bộ, byte là đơn vị truyền nhỏ nhất, cần phải tạo khung tin từ nhiều byte. Đối với truyền đồng bộ, khung dữ liệu là đơn vị truyền nhỏ nhất.
Chức năng xác thực dữ liệu: Xác thực dữ liệu là cấu trúc lại dữ liệu thành khối, khung, bản tin, đánh số thứ tự, đánh dấu đầu, đuôi.
Chức năng điều khiển liên kết: Chức năng này đảm bảo việc truyền số liệu một cách chắc chắn, tin cậy, hiệu quả.
Quá trình truyền số liệu gồm các trạng thái như sau:
- Thiết lập kết nối dữ liệu
- Khởi tạo kết nối
- Kết thúc trao đổi dữ liệu
- Giải phóng kết nối.
Việc chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác và bản thân hoạt động của các trạng thái được điều khiển bởi giao thức truyền tin.
Các loại giao thức truyền tin
Giao thức dạng COP - Character Oriented Protocol và dạng BOP-Bit (Binary) Oriented Protocol. Giao thức dạng COP sử dụng các ký tự trong bản mã ASCII hoặc các mã định nghĩa lại để điều khiển quá trình truyền số liệu, thích hợp với phương thức truyền dị bộ. Giao thức dạng BOP thiết kế cách điều khiển truyền số liệu trên cơ sở định nghĩa các bit chức năng trong khung tin.
1.2.4.2. Giao thức Modbus
Lịch sử c Modbus protocol
Modbus bắt nguồn năm 1979 khi nhà sản xuất PLC Modicon - giờ là tập đoàn Schneider Electric's Telemecanique - phát hành giao diện truyền thông Modbus cho mạng multidrop dựa trên kiến trúc master/client. Truyền thông giữa các Modbus node có được bằng các thông điệp, nó là một chuẩn mở mà được mô tả bằng cấu trúc thông điệp. Tầng vật lý của Modbus interface là tự do chọn lựa.
Modbus interface ban đầu chạy trên RS-232, nhưng các thực hiện Modbus sau nhất dùng RS-485 vì nó cho phép khoảng cách lớn, tốc độ cao và khả năng của một mạng multi-drop thực sự. Modbus trở thành chuẩn defacto cho các mạng truyền thông công nghiệp.
Điều tốt của chuẩn Modbus là sự linh hoạt, và sự dễ thực hiện của nó. Không chỉ các thiết bị thông minh như các Microcontroller, PLC ... có thể truyền thông với Modbus, mà còn các sensor thông minh trang bị Modbus interface gửi data của chúng đến các host system.
C u tr c thông điệp Modbus
Tốc độ truyền tin của Mobus có thể lựa chọn như tốc độ trong truyền tin trên RS232. Các thông điệp Mobus luôn dãn cách nhau một khoảng thời gian tối thiểu tương đương 3,5 ký tự. Như vậy khoảng thời gian này phục thuộc vào tốc độ truyền tin.
Định dạng của các thông điệp Modbus này phụ thuộc vào kiểu của giao diện vật lý được dùng. Trên RS232 đơn giản cũng là các thông điệp tương tự
như được dùng trên Modbus/TCP qua ethernet. Điều này cho định nghĩa Modbus interface một sức sống lâu dài.
Protocol tương tự có thể được dùng không quan tâm kiểu kết nối. Vì điều này, Modbus cho khả năng dễ dàng nâng cấp cấu trúc phần cứng của mạng công nghiệp, không cần thay đổi lớn trong phần mềm. Một thiết bị cũng có thể truyền thông với vài Modbus node một lúc, dù chúng được nối với các kiểu giao diện khác nhau, không cần dùng protocol khác cho mỗi kết nối.
Trên các giao diện đơn giản giống RS485 hay RS232, các thông điệp Modbus được gửi theo dạng đơn giản trên mạng. Khi các hệ thống mạng linh hoạt hơn như TCP/IP qua Ethernet, các thông điệp Modbus như nhúng trong các gói với định dạng cần thiết cho giao diện vật lý. Trong trường hợp đó Modbus và các kiểu kết nối khác có thể cùng tồn tại ở cùng giao diện vật lý ở cùng lúc. Mặc dù cấu trúc thông điệp Modbus chính là peer-to-peer(ngang hàng), Modbus có thể chức năng thành cả mạng point-to-point và multidrop.
Áp dụng Modbus trong chuẩn kết nối SCADA
Các thiết bị trong công nghiệp nói chung và hệ thống SCADA ngành điện nói riêng thường áp dụng và tích hợp sẵn truyền thông công nghiệp Modbus TCP (cổng RJ45) hoăc Modbus RTU (cổng RS485).
1.2.4.3. Giao thức Profibus
Profibus (Process Field Bus), đây là một chuẩn thông tin công nghiệp mở phù hợp với nhiều ứng dụng tự động hóa và điều khiển các quá trình công
nghiệp được SIEMENS phát triển từ năm 1987 trong tiêu chuẩn DIN 19245. Profibus được thiết lập theo phương pháp hệ truyền thông mở, không phụ thuộc vào nhà chế tạo phục vụ cho các cấp phân xưởng và cấp trường. Mạng Profibus tuân theo chuẩn EN 50170 cho phép kết nối các bộ điều khiển PLC, các thiết bị vào/ra phân tán, các bộ lập trình PC/PG, các cơ cấu chấp hành, các thiết bị hãng khác.
Mạng Profibus có 3 chủng loại tương thích khác nhau: FMS (Fieldbus Message Specification) thường được sử dụng cho Bus hệ thống ở cấp điều khiển giám sát. DP (Distributed Peryphery) sử dụng để kết nối thiết bị điều khiển với các ngoại vi phân tán. PA (Process Automation) là sự mở rộng của
DP sử dụng trong môi trường chống cháy nổ.
H nh 1 8: Phương pháp thâm nhập đường dẫn trong mạng Profibus
+ Profibus DP: Được thiết kế để trao đổi dữ liệu ở cấp thiết bị trường.
Ở đó, các thiết bị điều khiển như PLC/PC hay các thiết bị điều khiển quá trình khác có thể thông tin với các thiết bị trường phân tán như I/O, các bộ driver
và van cũng như các thiết bị đo thông qua một Bus thông tin nối tiếp tốc độ cao.
Profibus DP sử dụng chuẩn RS-485 và cáp quang cho phần truyền dẫn tín hiệu. Trong đó chuẩn RS-485 thông dụng hơn vì nó có giá thành thấp, dễ đấu nối, tốc độ truyền cao. RS-485 có cấu trúc dạng Bus, sử dụng cáp đôi xoắn có vỏ bọc chống nhiễu làm môi trường truyền dẫn.
Tốc độ truyền có thể chọn từ 9,6 kbps đến 12Mbps. Khoảng cách truyền lớn nhất 1200 m. Mỗi một đoạn mạng có tối đa 32 nút mạng mà không cần repeater. Nếu có repeater ta có thể mở rộng số nút trên mạng lên 126 nút.
Do cấu trúc mạng dạng Bus nên Profibus đòi hỏi một giao thức điều khiển truy nhập đường truyền. Phương pháp điều khiển truy nhập đường truyền của Profibus là sự kết hợp của hai phương pháp Master/Slave và Token Bus. Trong mạng Profibus có hai loại thiết bị là thiết bị Master (có thể là PC, PLC hay các thiết bị điều khiển khác) và Slave (các I/O phân tán, các thiết bị trường..).
Trạng thái làm việc của Profibus DP được xác định thông qua trang thái của trạm chủ. Có 3 trạng thái hoạt động là:
- Operate truyền theo chu kỳ dữ liệu đầu vào/ra
- Clear đọc đầu vào và giữ đầu ra ở trạng thái an toàn
- Stop không truyền dữ liệu của ứng dụng, chỉ cho phép tham số hóa và chuẩn đoán.
Do có nhiều ưu điểm nên hiện nay Profibus DP được sử dụng rất nhiều trong hệ thống điều khiển tự động của các nhà máy công nghiệp như: Điện, Xi-măng, hóa chất, chế biến …
+ Profibus - FMS: Trao đổi lượng thông tin trung bình giữa các thành viên bình đẳng với nhau trong mạng. Profibus - FMS được dùng chủ yếu cho việc nối mạng các máy tính điều khiển và giám sát. Mạng này chỉ thực hiện ở các lớp 1, 2, 7 theo mô hình quy chiếu OSI. Do đặc điểm của các ứng dụng
trên cấp điều khiển và điều khiển giám sát, dữ liệu chủ yếu được trao đổi với tính chất không định kỳ.
+ Profibus - PA: Được thiết kế riêng cho những khu vực nguy hiểm. Profibus - PA là sự mở rộng của Profibus - DP về phương pháp truyền dẫn an toàn trong môi trường dễ cháy nổ theo chuẩn IEC 61158-2. Profibus - PA là loại bus trường thích hợp cho các hệ thống điều khiển phân tán trong các ngành công nghiệp hoá chất và hoá dầu. Thiết bị chuyển đổi (DP/PA-Link) được sử dụng để tích hợp đường mạng PA với mạng Profibus DP. Điều này đảm bảo cho toàn bộ thông tin có thể được truyền liên tục trên hệ thống mạng Profibus bao gồm cả DP và PA.
1.2.4.4. Giao thức Profinet
Theo tổ chức Fieldbus Foundation: Profinet được chào hàng là một giao thức chứa đựng tất cả các chuẩn công nghiệp.
Profinet được mô tả là "chuẩn Ethernet công nghiệp bao gồm tất cả" bởi vì nó có thể được sử dụng hầu hết mọi chức năng tự động hóa: phân tán, quá trình, chuyển động, tích hợp điểm-điểm, tích hợp theo trục dọc, an toàn và các chức năng khác, theo tổ chức Thương mại Profibus (Profibus Trade Organization - PTO).
Vì Profinet sử dụng Ethernet IEEE 802.11 làm tiêu chuẩn, nên giao thức này thừa hưởng khả năng hoạt động trên Ethernet không dây IEEE802.11, cho phép điều khiển các thiết bị tự hành.
Điều này khiến giao thức Profinet thích hợp cho các ứng dụng khắt khe như máy in chuyên dụng trong ngành in ấn. Profinet được cho là Ethernet công nghiệp duy nhất mà chuẩn của nó xác định truyền thông.
Trong khi chứa đựng tất cả các chuẩn công nghiệp như Ethernet, TCP/IP, XML và OPC, Profinet là một chuẩn công nghiệp mở được PI (Profibus International) hỗ trợ.
Một trong số các đặc tính của Profinet chính là khả năng đồng hóa các bus trường khác như DeviceNet, Foundation Fieldbus và Modbus.
1.2.4.5. Giao thức IEC60870-5-101; 103; 104 Gi o thức IEC60870-5-101: (IEC 101)
Giao thức IEC60870-5-101 được Uỷ ban điện tử Quốc tế IEC (International Electrotechnical Commission) phát hành vào đầu của thập kỷ 90, Giao thức IEC60870-5-101 là một tiêu chuẩn cho các ứng dụng có sử dụng điều khiển xa và là giao thức truyền thông giữa các RTU, DCS, PLC với hệ thống trung tâm (Central Station) hoặc giữa các trung tâm điều khiển CC (Control Center) với nhau.
Giao thức IE C60870-5-101 làm việc trên phương pháp truyền dị bộ, giao diện RS232/RS485. Giao thức này sử dụng 3 trong số 7 lớp của sơ đồ tham chiếu OSI.
IEC60870-5-101 chứa tất cả các yếu tố cần thiết của giao thức để các nhà cung cấp có thể tạo ra các sản phẩm tương thích.
Giao Thức IEC60870-5-103: (IEC 103)
Giao thức IEC60870-5-103 cũng làm việc trên phương pháp truyền dị bộ, giao diện RS232/RS485.
IEC60870-5-103 (IEC 103) là giao thức chuẩn qui định kết nối các thiết bị thuộc dây chuyền công nghệ sản xuất với các thiết bị đầu cuối. Tuy nhiên đối với các dây chuyền công nghệ sản xuất truyền thống, do không đủ thông minh (không có vi xử lý) nên thường các giao thức riêng của nhà sản xuất được sử dụng để ghép nối trực tiếp với thiết bị vào ra của RTU.
Giao Thức IEC60870-5-104: (IEC 104)
Có thể nói IEC60870-5-104 chính là IEC870-5-101 trên TCP/IP.
IEC60870-5-104 (IEC 104) là một phần mở rộng của giao thức IEC 101 với những thay đổi trong dịch vụ vận tải, mạng, liên kết và lớp vật lý để phù hợp với truy cập mạng. Tiêu chuẩn này sử dụng một giao diện mở TCP/IP mạng có kết nối mạng LAN (Local Area Network) và bộ định tuyến với các cơ sở khác nhau (ISDN, X.25, Frame relay ...) có thể được sử dụng để kết nối WAN (Wide Area Network ).
Lớp ứng dụng của IEC 104 được sử dụng tương tự như của IEC 101 với một số loại dữ liệu và các thiết bị không được sử dụng. Có hai lớp liên kết riêng biệt quy định trong tiêu chuẩn, phù hợp cho truyền dữ liệu qua Ethernet & nối tiếp dòng (PPP -Point-to-Point Protocol). Việc kiểm soát dữ liệu của IEC104 có chứa các loại khác nhau của cơ chế xử lý hiệu quả của mạng lưới đồng bộ hóa dữ liệu.
Giao thức IEC870-5-104 làm việc trên phương pháp truyền đồng bộ, giao diện Ethernet.
1.2.4.6. Giao thức TCP/IP
TCP/IP(Transmission Control Protocol/ Internet Protocol) là bộ giao thức cho phép kết nối các hệ thống mạng không đồng nhất với nhau. Ngày nay, TCP/IP được sử dụng rộng rãi trong các mạng cục bộ cũng như trên mạng Internet toàn cầu.
TCP/IP được xem là giản lược của mô hình tham chiếu OSI với bốn tầng như sau:
- Tầng liên kết mạng (Network Access Layer)
- Tầng Internet (Internet Layer)
- Tầng giao vận (Host-to-Host Transport Layer)
- Tầng ứng dụng (Application Layer)
ảng 1 2: iến tr c TCP/IP
Tầng liên kết
Tầng liên kết (còn được gọi là tầng liên kết dữ liệu hay là tầng giao tiếp mạng) là tầng thấp nhất trong mô hình TCP/IP, bao gồm các thiết bị giao tiếp
mạng và chương trình cung cấp các thông tin cần thiết để có thể hoạt động, truy nhập đường truyền vật lý qua thiết bị giao tiếp mạng đó.
Tầng Internet
Tầng Internet (còn gọi là tầng mạng) xử lý quá trình truyền gói tin trên mạng. Các giao thức của tầng này bao gồm: IP (Internet Protocol), ICMP (Internet Control Message Protocol), IGMP (Internet Group Messages Protocol).
Tầng giao vận
Tầng giao vận phụ trách luồng dữ liệu giữa hai trạm thực hiện các ứng dụng của tầng trên. Tầng này có hai giao thức chính: TCP (Transmission Control Protocol) và UDP (User Datagram Protocol)
TCP cung cấp một luồng dữ liệu tin cậy giữa hai trạm, nó sử dụng các cơ chế như chia nhỏ các gói tin của tầng trên thành các gói tin có kích thước thích hợp cho tầng mạng bên dưới, báo nhận gói tin, đặt hạn chế thời gian time-out để đảm bảo bên nhận biết được các gói tin đã gửi đi. Do tầng này đảm bảo tính tin cậy, tầng trên sẽ không cần quan tâm đến nữa.
UDP cung cấp một dịch vụ đơn giản hơn cho tầng ứng dụng. Nó chỉ gửi các gói dữ liệu từ trạm này tới trạm kia mà không đảm bảo các gói tin đến được tới đích. Các cơ chế đảm bảo độ tin cậy cần được thực hiện bởi tầng trên.
Tầng ứng dụng
Tầng ứng dụng là tầng trên cùng của mô hình TCP/IP bao gồm các tiến